卡內(nèi)基研究人員開發(fā)全尺寸生物3D打印人體模型的新方法

魔猴君  行業(yè)資訊   1421天前

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的一組研究人員開發(fā)了一種新的生物3D打印方法，該方法可以生成逼真的全尺寸人類心臟模型?？茖W(xué)家的懸浮水凝膠自由形式可逆嵌入技術(shù)（FRESH）涉及將環(huán)保型藻酸鹽聚合物擠出到定制的明膠容器中，利用他們新穎的方法，該團(tuán)隊旨在與外科醫(yī)生合作，為手術(shù)訓(xùn)練和預(yù)計劃應(yīng)用創(chuàng)建針對患者的臨床模型。

該項目的負(fù)責(zé)人亞當(dāng)·費恩伯格教授說：“外科醫(yī)生可以對其進(jìn)行操縱，并使其真正像真實的組織一樣做出反應(yīng)。因此，當(dāng)他們進(jìn)入手術(shù)現(xiàn)場時，他們在該環(huán)境中又增加了一層實際操作。我們現(xiàn)在可以建立一個模型，該模型不僅可以用于可視化規(guī)劃，還可以用于物理實踐?！?/span>

一種“新鮮”的3D打印新方法

越來越多的外科醫(yī)生正在采用3D打印作為開發(fā)定制模型的方法，這些模型可以使他們向患者解釋心臟程序。使用生物印記生產(chǎn)這些復(fù)制品使它們變得現(xiàn)實，但也為將來進(jìn)行組織工程和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了可能性。據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，目前，諸如立體光刻（SLA）和熔融沉積建模（FDM）之類的常見3D打印技術(shù)正在用于再現(xiàn)逼真的器官。盡管這樣的方法通常已取得了積極的成果，但迄今為止，它們的廣泛采用受到其成本和制造它們所需專業(yè)知識水平的限制。為了克服這些限制，F(xiàn)einberg教授和他的同事們花了兩年時間研究如何以全尺寸打印人類心臟模型，并提出了一種FRESH新方法。該小組的新穎技術(shù)始于使用從MRI掃描和其他掃描過程中收集的數(shù)據(jù)來設(shè)計準(zhǔn)確的3D模型。

然后使用直徑250微米的針頭打印最終的設(shè)計，該針頭將藻酸鹽擠出到定制的容器中，該容器的大小足以容納完整尺寸的復(fù)制品。最終發(fā)現(xiàn)該小組的新方法可以產(chǎn)生比以前更耐用的模型，從而有可能使它們更有效地用作外科手術(shù)訓(xùn)練工具。

該圖顯示了Feinberg及其團(tuán)隊制造的全尺寸3D打印成人心臟模型。圖片來自卡耐基梅隆大學(xué)。

3D打印全尺寸手術(shù)模型

在3D打印過程中，科學(xué)家將藻酸鹽用作模型的主要材料，因為它與有機(jī)心臟組織的質(zhì)地和機(jī)械特性非常相似。更重要的是，較軟的材料（例如TPU和硅樹脂）在重力作用下會發(fā)生變形，從而使剛性稍高的藻酸鹽成為更合適的選擇。

在制造出一系列原型后，研究人員在明膠容器中對它們進(jìn)行了12小時的后處理，然后將它們放入培養(yǎng)箱中過夜以去除明膠支持物。一旦準(zhǔn)備好了附加心臟模型，F(xiàn)einberg和他的團(tuán)隊便通過查看聚合物在縫合過程中可以伸展多遠(yuǎn)的位置來進(jìn)行測試。結(jié)果表明，藻酸鹽具有足夠的抗張強(qiáng)度，可以制成心臟模型供外科醫(yī)生進(jìn)行練習(xí)。然后，研究人員開始使用他們的FRESH方法來制造較小的模型，該模型由充滿假血的冠狀動脈組成，這也可能對培訓(xùn)外科醫(yī)生有用。

有趣的是，該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)擠出機(jī)的針尖存在問題，因為它需要足夠長的長度才能到達(dá)熔池的底部，并支撐印刷材料。為解決此問題，創(chuàng)建了3D打印的針頭支撐環(huán)，可以隨意更換并連接到打印機(jī)的擠出機(jī)頭上。研究人員得出結(jié)論，他們的3D模型適合作為外科手術(shù)訓(xùn)練工具來進(jìn)行縫合以及可以在真實的人心臟上進(jìn)行的其他操作。總體而言，該項目可以開拓其他研究途徑，并且在將來，該團(tuán)隊希望他們的FRESH方法能夠?qū)е律镝t(yī)學(xué)測試工具的開發(fā)。

圖像顯示四次掃描，第一幅圖像顯示基于MRI掃描的心臟，最后一張圖像是使用藻酸鹽的全尺寸FRESH打印圖像。

圖片來自卡耐基梅隆大學(xué)。

近年來，各種科學(xué)家已經(jīng)采用3D打印作為產(chǎn)生逼真的器官模型的方法，從而擴(kuò)大了我們對人體的了解。2020年7月，明尼蘇達(dá)大學(xué)開發(fā)了一種新型生物墨水，該墨水幫助他們創(chuàng)建了一種功能強(qiáng)大的3D打印跳動心臟，該心臟由充滿細(xì)胞的生物材料制成。該小組的新穎材料使他們能夠3D打印具有更多腔室，心室和高細(xì)胞壁厚度的主動脈副本。

今年早些時候，得克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校（UTEP）和得克薩斯理工大學(xué)健康科學(xué)中心埃爾帕索分校（TTUHSC El Paso）的生物醫(yī)學(xué)研究人員共同致力于3D打印迷你心臟。該細(xì)胞的結(jié)構(gòu)被送到國際空間站（ISS），研究微重力如何影響人類心臟的功能。

同樣在2018年，鄭州大學(xué)的一群醫(yī)生對25名患者進(jìn)行了一項研究，以強(qiáng)調(diào)如何在心臟手術(shù)中使用3D打印的解剖模型。該團(tuán)隊最終使用CT掃描來開發(fā)特定于患者的模型，該模型可以1：1比例進(jìn)行3D打印。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/xin3Ddayinjishu/39825.html